[发明专利]一种碳@CoO核壳结构复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料，由碳酸钴和含氮高分子树脂混合，经一步碳化得到，具有碳纳米管嵌入的碳@CoO的核壳结构。其制备方法包括：1）三聚氰胺树脂的制备；2）碳酸钴‑三聚氰胺树脂粉末的制备；3）碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料的制备。作为超级电容器电极材料的应用，在‑0.3‑0.4V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容可以达到800‑900 F/g。本发明采用一步碳化法，工艺简单；碳纳米管和氮掺杂的碳同时生成，提高了材料的导电性；CoO被包覆在碳材料里，提高了材料的导电性，阻止了CoO的腐蚀和充放电过程中的体积收缩，表现出优良的电化学特性和化学稳定性，可用超级电容器的电极材料。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型的能量储存装置近年来得到广泛的关注，它具有循环寿命长，功率密度高，质量轻，充放电时间短等优点。超级电容器的电极材料主要以碳材料为主，碳材料虽然具有良好的循环稳定性和高的比表面积，但其比电容低，因而其使用受到限制；另一类材料为赝电容电极材料，如过渡金属氧化物等。过渡金属氧化物虽然可以提供比碳材料高10倍的比电容，但其导电性和稳定性差，而且在充放电的过程中易腐蚀和体积发生变化。

目前现有技术报道的超级电容器制备方法普遍存在以下技术问题：

1、碳材料的比电容低，一般在100-300 F/g 左右，；

2、材料的比表面积较小，影响超级电容器的综合性能；

3、负载的过渡金属氧化物导电性能差；

4、负载的过渡金属氧化物在循环过程中，稳定性差、易腐蚀和体积变化严重；

5、制备过程复杂，需要先制备特定形貌的碳材料，再进行过渡金属氧化物的掺杂、负载。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料及其制备方法和在超级电容器领域的应用。

通过将碳酸钴和高分子树脂混合，利用在树脂碳化的过程中，碳酸钴分解生成CO2和CoO：CoCO3 = CoO + CO2↑；生成的CoO在碳的作用下被还原成Co：CoO+C= Co+ CO↑；生成的高活性的Co催化树脂生成碳纳米管；之后Co又被材料中含的氧或空气中的氧气氧化为CoO，因此，所得到的复合材料不仅表现出多孔碳的双电层电容性能，而且表现出金属氧化物的法拉第电容性能，因而具有作为超级电容器的电极材料的良好性能。一方面碳纳米管，氮掺杂的碳具有良好的导电性，可以提供高的双电层电容；另一方面CoO被包覆在碳材料里，提高了氧化物的导电性，有效克制了氧化物在电解质的腐蚀和充放电过程中的体积收缩，有效提高了复合材料比电容。而且复合材料通过一步碳化合成，方法简单，适合批量制备。

实现有效克服现有技术存在的比电容低和过渡金属氧化物导电性差、稳定性差、易腐蚀和体积变化严重的技术问题的目的。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料，由碳酸钴和含氮高分子树脂混合，再进行高温碳化得到，具有碳@CoO核壳结构，且碳纳米管嵌入的碳@CoO核壳结构中，其中形成的CoO核直径为10-20nm，所述的含氮高分子树脂为三聚氰胺树脂，所述碳@CoO核壳结构中，包覆CoO的碳壳是氮掺杂的，碳纳米管和氮掺杂的碳包覆的CoO形成C@CoO核壳结构是通过一步碳化同时合成。

碳纳米管嵌入的氮掺杂的碳@CoO核壳结构复合材料的制备方法包括以下步骤：